PARA IMPRESIÓN 3D POR ESTEREOLITOGRAFÍA (SLA)”

UNIVERSIDAD TÉCNICA DE AMBATO

FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL Y MECÁNICA

CARRERA DE INGENIERÍA MECÁNICA

TRABAJO EXPERIMENTAL PREVIO A LA OBTENCION DEL TÍTULO DE

INGENIERO MECÁNICO

TEMA:

“ANÁLISIS DE DUREZA, RESISTENCIA A LA TRACCIÓN Y

DESGASTE DE MATERIALES TERMOPLÁSTICOS OBTENIDOS A

PARTIR DE LA RESINA TOUGH DE PROTOTIPADO ROBUSTO

PARA IMPRESIÓN 3D POR ESTEREOLITOGRAFÍA (SLA)”

AUTOR: Villena López Oscar Rodrigo

TUTOR: Ing. Mg Pérez Salinas Cristian Fabian

AMBATO - ECUADOR

ENERO - 2021

ii

CERTIFICACIÓN

En mi calidad de Tutor del Trabajo Experimental, previo a la obtención del Título de

Ingeniero Mecánico, con el tema: "ANÁLISIS DE DUREZA, RESISTENCIA A LA

TRACCIÓN Y DESGASTE DE MATERIALES TERMOPLÁSTICOS

OBTENIDOS A PARTIR DE LA RESINA TOUGH DE PROTOTIPADO

ROBUSTO PARA IMPRESIÓN 3D POR ESTEREOLITOGRAFÍA (SLA)"

elaborado por el Sr. Villena López Oscar Rodrigo, portador de la cédula de ciudadanía:

C.I. 1803790789 estudiante de la Carrera de Ingeniería Mecánica, de la Facultad de

Ingeniería Civil y Mecánica,

Certifico:

• Que el presente trabajo experimental es original de su autor

• Ha sido revisado cada uno de sus capítulos componentes

• Está concluido en su totalidad

Ambato, Enero 2021

……………………………………………..

Ing. Mg. Pérez Salinas Cristian Fabian.

TUTOR

iii

AUTORÍA DE LA INVESTIGACIÓN

Yo, Villena López Oscar Rodrigo, portador de la C.I. 183790789 declaro que todas las

actividades y contenidos expuestos en el presente trabajo experimental: "ANÁLISIS DE

DUREZA, RESISTENCIA A LA TRACCIÓN Y DESGASTE DE MATERIALES

TERMOPLÁSTICOS OBTENIDOS A PARTIR DE LA RESINA TOUGH DE

PROTOTIPADO ROBUSTO PARA IMPRESIÓN 3D POR

ESTEREOLITOGRAFÍA (SLA)", así como también los análisis estadísticos, gráficos,

conclusiones y recomendaciones son de mi exclusiva responsabilidad como autor de la

investigación, a excepción de las referencias bibliográficas citadas en el mismo.

Ambato, Enero 2021

……………………………………………..

Villena López Oscar Rodrigo

C.I. 1803790789

AUTOR

iv

DERECHOS DE AUTOR

Autorizo a la Universidad Técnica de Ambato, para que haga de este Trabajo

Experimental o parte de él, un documento para su lectura, consulta y procesos de

investigación, según las normas de la Institución.

Cedo los derechos en línea patrimonial de mi Trabajo Experimental con fines de difusión

pública, además apruebo la reproducción de este documento dentro de las regulaciones de

la Universidad, siempre y cuando esta reproducción no suponga ganancia económica y se

realice respetando mis derechos de autor.

Ambato, Enero 2021

……………………………………………..

Villena López Oscar Rodrigo

C.I. 1803790789

AUTOR

v

APROBACIÓN DEL TRIBUNAL DE GRADO

Los miembros del tribunal aprueban el informe del Trabajo Experimental, realizado por

el estudiante Villena López Oscar Rodrigo de la carrera de Ingeniería Mecánica bajo el

tema: "ANÁLISIS DE DUREZA, RESISTENCIA A LA TRACCIÓN Y DESGASTE

DE MATERIALES TERMOPLÁSTICOS OBTENIDOS A PARTIR DE LA

RESINA TOUGH DE PROTOTIPADO ROBUSTO PARA IMPRESIÓN 3D POR

ESTEREOLITOGRAFÍA (SLA)".

Ambato, Enero 2021

Para constancia firman:

……………………………… .……………………………..

Ing. Mg. Nuñez Nuñez Diego Fernando

Miembro del Tribunal

Ing. Mg. Arroba Arroba César Hernán

Miembro del Tribunal

vi

DEDICATORIA

Para toda mi familia quienes me han acompañado de manera incondicional en este largo

camino. Un camino lleno de obstáculos, alegrías y tristezas. Un camino que continua y

en el cual no hay mayor secreto que la constancia, la dedicación y la disciplina. Varios

esperaran ver el nombre de mis familiares aquí, pero en este caso no quiero que nadie se

quede fuera. Todos y cada uno de ellos son el principal motivo para que mis logros sean

dedicados con el mayor respeto y cariño hacia ellos.

Oscar Villena

vii

AGRADECIMIENTO

En este trajinar universitario hay varios actores a los cuales me gustaría agradecer

infinitamente. La Universidad Técnica de Ambato por medio de la Facultad de Ingeniería

Civil y Mecánica me dieron la oportunidad de lograr otro de mis objetivos personales,

esto siempre será motivo de orgullo para mí.

A mis profesores los cuales fueron los encargados de impartir sus conocimientos basados

siempre en la ciencia sin dejar de lado los principios y valores que plantea esta sociedad.

De manera especial a mi tutor Ing. Mg. Cristian Pérez quien con su predisposición y

orientación motivó a la culminación de este proyecto.

A mis compañeros y amigos con los cuales compartí todos estos años de formación

académica y a quienes deseo siempre lo mejor.

A toda mi familia que me dan la motivación necesaria para cumplir con mi deber. Pero

más que nada son los artífices de implantar una idea en mí la cual espero sirva de

motivación para más personas. “Todo lo que hagas hazlo de la mejor manera posible”.

Dios es un pasajero silencioso en nuestro sendero, agradecido siempre estaré por sus

bendiciones no solo para mí, también para todos aquellos que me rodean.

viii

ÍNDICE GENERAL DE CONTENIDOS

CERTIFICACIÓN ......................................................................................................... ii

AUTORÍA DE LA INVESTIGACIÓN ....................................................................... iii

DERECHOS DE AUTOR ............................................................................................. iv

APROBACIÓN DEL TRIBUNAL DE GRADO .......................................................... v

DEDICATORIA ............................................................................................................ vi

AGRADECIMIENTO ................................................................................................. vii

ÍNDICE GENERAL DE CONTENIDOS .................................................................. viii

ÍNDICE DE FIGURAS .................................................................................................. x

ÍNDICE DE TABLAS ................................................................................................. xii

RESUMEN EJECUTIVO .......................................................................................... xiii

EXECUTIVE SUMMARY ......................................................................................... xiv

CAPÍTULO I .................................................................................................................. 1

1.1. Antecedentes Investigativos ................................................................................ 1

1.2. Objetivos ............................................................................................................. 3

1.2.1. Objetivo General. ................................................................................................. 3

1.2.2. Objetivos Específicos ........................................................................................... 4

1.3. Hipótesis .............................................................................................................. 5

1.3.1. Variable Dependiente ........................................................................................... 5

1.3.2. Variable Independiente ......................................................................................... 5

1.4. Marco Teórico ..................................................................................................... 5

1.4.1. Manufactura ..................................................................................................... 5

1.4.2. Introducción a la Impresión 3D ..................................................................... 11

1.4.3. Impresión 3D por Estereolitografía ............................................................... 17

1.4.4. Ensayos .......................................................................................................... 23

CAPÍTULO II ............................................................................................................... 31

METODOLOGÍA ........................................................................................................ 31

2.1. Materiales .......................................................................................................... 31

2.2. Métodos ............................................................................................................. 33

2.2.1. Nivel de Investigación ................................................................................... 33

ix

2.2.2. Metodología ................................................................................................... 34

2.3. Protocolo Para La Recolección de Datos .......................................................... 39

2.4. Elaboración de las Probetas ............................................................................... 40

2.5. Plan de Procesamiento y Análisis ..................................................................... 42

2.6. Ensayos. ............................................................................................................. 42

CAPÍTULO III.- RESULTADOS Y DISCUSIÓN ...................................................... 46

3.1. Análisis y discusión de los resultados. .............................................................. 46

3.2. Análisis de Resultados. ...................................................................................... 53

3.3. Verificación de la Hipótesis .............................................................................. 64

CAPITULO IV ............................................................................................................. 65

4.1. Conclusiones ..................................................................................................... 65

4.2. Recomendaciones .............................................................................................. 66

MATERIALES DE REFERENCIA ............................................................................. 68

Referencias Bibliográficas............................................................................................ 68

Anexos. ......................................................................................................................... 71

x

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1 Manufactura en el ámbito técnico. [7] ................................................................ 6

Figura 2. Manufactura en el ámbito económico. [7] ......................................................... 6

Figura 3. Clasificación de la Manufactura. [7] ................................................................. 9

Figura 4. Conformación de una pieza por impresión 3D [8]. ......................................... 11

Figura 5. Impresora 3D FDM [11] ................................................................................. 13

Figura 6. Soportes en impresión 3D FDM [12] .............................................................. 14

Figura 7. Impresión SLS [13] ......................................................................................... 14

Figura 8. Impresora 3D PolyJet [14] ............................................................................... 15

Figura 9. Esquema de una impresora SLA [15] .............................................................. 15

Figura 10. Fases de la Impresión 3D............................................................................... 17

Figura 11. Proceso de Impresión 3D por Estereolitografía [20] ..................................... 18

Figura 12. Tiempo y temperatura de post curado para una resina utilizada en

estereolitografía [2] .......................................................................................................... 20

Figura 13. Partes constitutivas de una impresora 3D SLA. [15] .................................... 21

Figura 14. Resina Gris SLA [26] .................................................................................... 22

Figura 15. Máquina de ensayos de Tracción. [3] ............................................................ 24

Figura 16. Ensayo de Tracción. ...................................................................................... 26

Figura 17. Durómetro. ..................................................................................................... 27

Figura 18. Abrasímetro. .................................................................................................. 28

Figura 19. Muelas Abrasivas. ......................................................................................... 29

Figura 20. Esquema del sistema giratorio del Abrasímetro. [27] ................................... 29

Figura 21. Proceso de Desgaste. ..................................................................................... 30

Figura 22. Elaboración de Probetas. ............................................................................... 41

Figura 23. Efectos Principales en el Esfuerzo de Tracción de las Resinas ..................... 60

Figura 24. Efectos Principales en la resistencia a la abrasión de las probetas ................ 61

Figura 25. Efectos Principales en la Dureza de las resinas ............................................. 63

Figura 26. Probetas para ensayo de abrasión de Resina Tough ...................................... 71

Figura 27. Probetas para ensayo de abrasión de Resina Clear ........................................ 71

xi

Figura 28. Ensayo de abrasión aplicado a probetas de resina Tough ............................. 72

Figura 29. Ensayo de abrasión aplicado a probetas de resina Clear ............................... 72

Figura 30. Huella marcada producto del ensayo de abrasión ......................................... 73

Figura 31. Pesaje de las probetas antes del ensayo de abrasión ...................................... 73

Figura 32. Pesaje de las probetas antes del ensayo de abrasión ...................................... 74

Figura 33. Pesaje de las probetas después del ensayo de abrasión ................................. 74

Figura 34. Pesaje de las probetas después del ensayo de abrasión ................................. 75

Figura 35. Ensayo de Dureza aplicado a las probetas ..................................................... 75

Figura 36. Tiempos recomendados para el post curado de las resinas [31] .................... 76

Figura 37. Gráfica T vs Módulo para la resina Clear (Objetivo: determinación de los

tiempos de curado recomendados) [31] ........................................................................... 76

Figura 38. Gráfica T vs Módulo para la resina Tough (Objetivo: determinación de los

tiempos de curado recomendados) [31] ........................................................................... 77

xii

ÍNDICE DE TABLAS

Tabla 1. Tecnologías de impresión 3D existentes [16]. .................................................. 16

Tabla 2. Materiales utilizados. ........................................................................................ 31

Tabla 3. Experimentos Requeridos. ................................................................................ 36

Tabla 4. Experimentos Requeridos. ................................................................................ 36

Tabla 5. Leyenda. ............................................................................................................ 37

Tabla 6. Operacionalización de variables ....................................................................... 38

Tabla 7. Operacionalización de variables ....................................................................... 39

Tabla 8. Procedimiento para ensayos de abrasión........................................................... 42

Tabla 9. Procedimiento para ensayos de dureza. ............................................................ 45

Tabla 10. Resultados Ensayo de Tracción para la resina Clear. [30, 31, 32, 33] ............ 54

Tabla 11. Resultado Ensayo de Tracción para la Resina de ingeniería Tough. [30, 31,

32, 33] .............................................................................................................................. 55

Tabla 12. Análisis estadístico. ......................................................................................... 56

Tabla 13. Términos de las fórmulas. ............................................................................... 56



Tabla 14. Relación Matemática resumida ....................................................................... 58


Tabla 18. Análisis de la varianza .................................................................................... 60



xiii

RESUMEN EJECUTIVO

Para este trabajo experimental se utilizó la resina Clear y resina Tough. La resina Clear es

una de las resinas para prototipos comercialmente más utilizadas. Por otro lado, la resina

Tough se usa en el campo de la ingeniería (principalmente en componentes mecánicos a

escala). Todas estas resinas son utilizadas en la impresión 3D por estereolitografía.

La investigación consideró 3 tiempos distintos de post-curado, todos ellos recomendados

por el fabricante. Se utilizó tres tipos de curado: sin curado, curado normal y curado

máximo. Para la resina Clear, se aplicó tiempos de post-curado de 0, 15 y 30 minutos bajo

la incidencia de los rayos UV. Mientras que para la resina Tough se consideró tiempos de

0, 60 y 120 minutos.

Los modelos CAD se elaboraron teniendo en cuenta normas internacionales de ensayo

(ASTM D638 e ISO 9352). Esto obedece a la realización de ensayos de dureza, tracción

y abrasión. Los ensayos de abrasión y dureza se realizaron en los laboratorios de la

universidad. El ensayo de tracción es un compendio de varios autores cuya información

ha sido verificada y comprobada, es decir, su nivel de confianza es elevado.

Una vez realizados los ensayos, se determinó que la resina estándar (Clear), en lo referente

a la dureza, posee un mayor grado comparado con la Tough. Por otra parte, la resina de

Ingeniería (Tough) posee menor resistencia a la abrasión. Los resultados de tracción

afirman que ambas resinas no poseen una diferencia marcada en sus comportamientos.

PALABRAS CLAVE: Estereolitografía, SLA, Impresión 3D, Resina Tough, Resina

Clear, Abrasión, Dureza, ISO 9352.

xiv

EXECUTIVE SUMMARY

For this experimental work, Clear resin and Tough resin were used. Clear resin is one of

the most widely used commercial prototype resins. On the other hand, Tough resin is used

in the engineering field (mainly in scale mechanical components). All these resins are

used in stereolithography 3D printing.

The investigation considered 3 different post-cure times, all of them recommended by the

manufacturer. Three types of curing were used: no curing, normal curing and maximum

curing. For the Clear resin, post-curing times of 0, 15 and 30 minutes were applied under

the incidence of UV rays. While for the Tough resin, times of 0, 60 and 120 minutes were

considered.

The CAD models were produced taking into account international testing standards

(ASTM D638 and ISO 9352). This is due to hardness, traction and abrasion tests. The

abrasion and hardness tests were carried out in the university laboratories. The tensile test

is a compendium of several authors whose information has been verified and approved,

that is, their level of confidence is high.

Once the tests had been carried out, it was determined that the standard resin (Clear), in

terms of hardness, has a higher grade compared to Tough. On the other hand, Engineering

resin (Tough) has less resistance to abrasion. The tensile results affirm that both resins do

not have a marked difference in their behavior.

KEY WORDS: Stereolithography, SLA, 3D Printing, Tough Resin, Clear Resin,

Abrasion, Hardness, ISO 9352.

1

CAPÍTULO I

MARCO TEÓRICO

1.1.Antecedentes Investigativos

En el desarrollo del presente trabajo, es necesario citar varias investigaciones

consideradas en el progreso del tema planteado. Mismas que han son pilares

fundamentales en el desarrollo del documento.

"ESTEREOLITOGRAFÍA, SOLUCIONES 3D CON GRAN ACABADO

SUPERFICIAL". Corresponde a una investigación planteada por Ideos 3D Print

Solutions, (Catálogo), en el cual se describen varios aspectos básicos relacionados a

la impresión 3D por estereolitografía. Se indica el funcionamiento de las máquinas,

partes constitutivas, las diversas resinas utilizadas en el proceso de impresión, así

como también las aplicaciones más comunes de los productos obtenidos a partir de la

utilización de esta tecnología. Por otra parte, se expone los resultados obtenidos a

partir del ensayo de tracción, impacto y deflexión de varios materiales tales como el

ABS, Polipropileno y una resina estándar comúnmente utilizada en este campo [1].

"GUÍA TÉCNICA DE IMPRESIÓN 3D". elaborado por Erasmus + 3D Printing VET

Centres, plantea una de las diversas metodologías utilizadas en la estereolitografía, al

igual que la anterior investigación, hace alusión a los diversos parámetros sobre los

cuales debe actuar la persona usuaria de este sistema. Uno de los principales atributos

de este documento es que aborda una serie de temas y subtemas sobre los cuales se

debe actuar una función a la obtención del producto deseado entre ellos se tiene [2].

• Producción de la impresión 3D

o Digitalización del modelo

o Exportación de la pieza modelada

▪ Análisis de la pieza

▪ Estructuras destinadas al soporte de la pieza en producción

▪ Rellenos en el modelo

▪ Orientación y Posicionamiento del objeto a producir

2

▪ Generación de los respectivos códigos G.

o Impresión 3D

▪ Extracción del modelo una vez concluido el proceso de

producción

▪ Post – proceso

o Softwares destinados a la impresión 3D

▪ Software de diseño

▪ Programas destinados a la prueba, orientación y reparación de

modelos

▪ Software generador de códigos G

o Materiales para la impresión 3D SLA.

o Limitaciones de los productos obtenidos a partir de este campo de la

manufactura

"LA ESTEREOLITOGRAFÍA EN LA FACULTAD DE ODONTOLOGÍA DE LA

UNAM". Corresponde a un estudio realizado por René Jiménez Castillo y Alejandro

Benavides Ríos en la UNAM y publicado en la Revista Odontológica Mexicana

explica la importancia de la estereolitografía en el campo de la odontología. El

planteamiento de este trabajo es evidenciar como la estereolitografía se ha convertido

en una alternativa eficiente al momento del tratamiento y diagnóstico de pacientes con

algún defecto del tipo congénito. Además, hace un enfoque general sobre aspectos

técnico – básicos relacionados a la impresión 3D SLA [3].

"ESTUDIO EXPERIMENTAL DE LAS PROPIEDADES DE RESISTENCIA DE

LAS RESINAS SLA BAJO TASAS DE DEFORMACIÓN ALTAS Y BAJAS". Este

análisis planteado por Danuta Miedzinska, Roman Gieleta y Ewelina Malek y

publicado en Mechanics of Materials denota un estudio de las propiedades del material

de las resinas utilizadas para la creación de prototipos rápidos de estereolitografía. Las

muestras se prepararon de acuerdo con las pautas de los productores y se cargaron de

dos maneras: casi estáticas y con el uso de una barra Hopkinson. Se consideraron

diferentes tasas de deformación. El material investigado mostró diferencias

3

significativas al responder a las diferentes cargas de velocidad de deformación. El

trabajo presentado se utilizará en el modelado numérico constitutivo de piezas SLA

[4].

"ANÁLISIS DE LOS FACTORES DE INFLUENCIA EN LA CALIDAD DE LAS

PIEZAS EN TECNOLOGÍA MICRO-SLA". Es un trabajo publicado en Procedia

Manufacturing páginas 856 – 863 y realizado por Martinez – Pellitero en el cual se

estudia la influencia de diferentes parámetros en el proceso Micro-SLA (para

producción a pequeña escala). Los factores analizados son el tipo de resina, la altura

de la capa, la orientación de la pieza y las operaciones de limpieza. El estudio incluye

el uso de dos resinas diferentes, ampliamente utilizadas en aplicaciones dentales y

joyas, y el efecto de cambiar la orientación de las primitivas geométricas en la calidad

de impresión micro-SLA [5].

"LA PREPARACIÓN DE CERÁMICA COMPUESTA ZRO2-AL2O3 MEDIANTE

IMPRESIÓN SLA-3D Y PROCESAMIENTO DE SINTERIZACIÓN ". Liu Xiaoyan

se centra en la determinación de la resistencia a la fractura y tenacidad de un

compuesto cerámico obtenido a partir de impresión 3D SLA. En este documento se

evidencia como la temperatura de sinterización y la influencia de rayos UV propios

del proceso afectan a las propiedades mecánicas del elemento. Una de las conclusiones

a las que ha llegado el autor es que a una temperatura de sinterización de 1500°C con

un curado de 60 minutos, la densidad puede alcanzar los 3.75 g/cm3, además, la

tenacidad a la fractura del elemento pude alcanzar los 4.05 Mpa/m2 [6].

1.2.Objetivos

1.2.1. Objetivo General.

• Analizar la dureza, resistencia a la tracción y desgaste de materiales

termoplásticos obtenidos a partir de la resina Tough de prototipado robusto

para impresión 3D por estereolitografía (SLA)

4

Es necesario realizar una investigación del tipo experimental para analizar los

datos obtenidos a partir de la realización de los ensayos de dureza, abrasión y

tracción de materiales termoplásticos obtenidos mediante un proceso de

manufactura 3D por estereolitografía. Las pruebas serán realizadas

considerando varios tipos de curado y dos tipos de resina de uso común en este

campo.

1.2.2. Objetivos Específicos

• Determinar los parámetros más adecuados de manufactura para la

impresora 3D por estereolitografía, así como también para la resina

utilizada.

A través de una investigación realizada en los respectivos catálogos

relacionados a cada una de las resinas en utilización se establecerá los

parámetros adecuados tanto para la impresora 3D como la resina.

Considerando los aspectos a variar en este trabajo (Tiempo de curado)

• Confeccionar probetas para los ensayos de dureza y abrasión bajo las

normas ASTM D 2240 e ISO 9352 respectivamente.

Con fundamento en las respectivas normas de ensayo se confeccionará las

probetas para la realización de las pruebas establecidas. En su mayoría las

pruebas se llevarán a cabo en los laboratorios de la universidad.

• Determinar las propiedades mecánicas del material obtenido por

estereolitografía (SLA)

Se realizará los ensayos tanto de abrasión y dureza en los laboratorios de la

universidad con instrumental adecuado y que cumpla con la respectiva

normativa. Además, para la caracterización del material se considerarán los

resultados de ensayos de tracción obtenidos de varios autores. Se cumplirá

estrictamente con los debidos procedimientos para la realización de las

pruebas.

• Analizar estadísticamente los resultados obtenidos a partir de los ensayos

planteados.

5

Para el análisis estadístico será imperativo el uso de un software estadístico

mediante el cual se podrá ingresar, analizar y emitir criterios de valoración a

partir del comportamiento de los datos arrojados por los ensayos

correspondientes.

1.3. Hipótesis

La resina Tough de prototipado robusto presenta una mejor resistencia a la tracción,

desgaste y dureza que la resina estándar utilizada para impresión 3D por estereolitografía

1.3.1. Variable Dependiente

• La variable dependiente son las propiedades de dureza, desgaste y abrasión.

1.3.2. Variable Independiente

• Como variable independiente se encuentra el tipo de resina utilizada en el

proceso de impresión 3D. para este caso es la resina estándar (Clear) y la resina

de ingeniería (Tough)

1.4. Marco Teórico

1.4.1. Manufactura

La manufactura proviene del latín Manus (mano) y factus (hacer), combinando las dos se

obtiene hacer a mano [7]. Existen dos definiciones: tecnológica y otra relacionada con la

economía.

Tecnológicamente hablando la manufactura corresponde a la influencia de procesos del

tipo físico y químicos que tiene como objetivo transformar las propiedades, geometría y/o

apariencia física de un determinado material, Figura 1. La meta es transformarlo en

productos con un fin determinado. Cabe recalcar que dentro de la manufactura también

ingresan los procesos de ensamblaje de elementos. Por lo general, la manufactura depende

6

de una combinación de operaciones organizadas secuencialmente, así como también de

máquinas y equipos destinados a un fin común [7].

Figura 1 Manufactura en el ámbito técnico. [7]

En el campo económico, se dice que la manufactura equivale a la transformación de

elementos en piezas de utilidad cuyo valor económico sea mayor al valor inicial, Figura

2. Es decir, agregar valor por medio de diversos procesos, tales como el ensamblaje, es el

eje sobre el cual gira la manufactura en el ámbito económico.

Figura 2. Manufactura en el ámbito económico. [7]

1.4.1.1. La Manufactura y sus Materiales

En conformidad con [7], la manufactura posee 4 grandes grupos de materiales utilizados

comúnmente: Metales, Cerámicos, Poliméricos, y Compuestos. Cada uno de ellos posee

un tratamiento diferente debido a la diferencia entre propiedades tanto físicas como

químicas. Esto a su vez, provoca que los procesos de manufactura sean totalmente

distintos diferenciándose también en la maquinaria y tecnología utilizada.

7

A continuación, se describen cada uno de los materiales mencionados.

Materiales Metálicos

Los materiales metálicos utilizados comúnmente en la manufactura son aleaciones que se

componen de dos o más elementos. A su vez los materiales metálicos se subdividen dos

grandes grupos:

1) Ferrosos.

Tiene su base en el hierro. Comercialmente son el grupo mayoritario y más

importante a nivel mundial [7]. Dentro de este grupo figuran el acero y hierro

colado los mismos que son aleaciones con un 0.02% - 2.11% y del 2% - 4%

respectivamente de carbono [7].

2) No Ferrosos

Este grupo abarca todos los elementos metálicos y aleaciones que no forman parte

de los metales ferrosos. En esta división figuran elementos como: el níquel, la

plata, oro, zinc, magnesio, aluminio entre otros.

Materiales de tipo Cerámico

Este tipo de materiales se caracterizan por poseer elementos del tipo metálicos y no

metálicos (Carbono, nitrógeno y oxigeno) [7]. Entre los más destacables de este grupo se

encuentran:

• Sílice

• Carburo de Silicio

• Arcilla

• Nitruros

• Carburos

• Alúminas

A su vez, los cerámicos se subdividen en dos grupos de acuerdo al objetivo de

procesamiento:

8

1) Cerámicos Cristalinos (Unión de polvos a temperatura alta)

2) Vidrios

Materiales Poliméricos

Este tipo de materiales nacen gracias a la repetición de unidades llamadas monómeros. Al

igual que los demás grupos de materiales, se subdividen en:

1) Termoplásticos

Materiales en los cuales la influencia del calor y el enfriamiento no llegan a alterar

la estructura molecular. Figuran materiales como: Polietileno, cloruro de

polivinilo, poliestirenos, entre otros.

2) Termoestables

Necesitan de un curado posterior a su proceso de conformación. Aquí figuran los

fenoles y resinas.

3) Elastómeros

Polímeros cuyo comportamiento se caracteriza por ser elevadamente elástico.

Ejemplos de este tipo de polímeros son el neoprenos, caucho, poliuretano y silicón.

Materiales Compuestos

Los materiales compuestos, en otras palabras, se podría argumentar que son producto de

la combinación de los tres tipos de materiales expuestos con anterioridad. Básicamente

son materiales compuestos aquellos conformados por dos fases las cuales al unirse de

manera homogénea dan lugar a un compuesto cuyas propiedades son superiores a la de

las fases individuales. Comúnmente consisten de la mezcla de una matriz con partículas o

fibras de cualquier tipo. Las fibras que lo conforman pueden ser del tipo sintético o natural

[7].

9

1.4.1.2. Procesos de Manufactura

En la figura 3, se establece la clasificación de los procesos de manufactura según [7].

Figura 3. Clasificación de la Manufactura. [7]

Según [7], la manufactura tiene sus bases en dos ejes de operación: En el Procesamiento

y Ensamblaje.

Procesamiento

Este grupo hace referencia a un elemento el cual circula por un circuito en el cual, en cada

cambio de fase, se denota un acercamiento al producto final que se requiere obtener. Los

cambios involucran a la geometría, apariencia, acabados y demás tipo de procesos que le

agregan un valor a la materia en tratamiento.

10

Ensamblaje

La operación de ensamblaje hace alusión a la unión de dos o más partes constitutivas de

un elemento nuevo.

1.4.1.3.Procesos y Tecnologías Especiales Relacionadas con el Ensamble

Varias tecnologías que han surgido con el pasar de los años no se han podido ajustar a la

clasificación planteada en la figura 3. Uno de los motivos se debe a que tecnologías como

la impresión 3D están direccionadas a satisfacer necesidades de carácter especial. Es por

ello que la creación rápida de prototipos no se encuentra dentro de las operaciones

convencionales de manufactura.

Creación Rápida de Prototipos (RP)

Como su nombre lo indica esta tecnología está direccionada a la creación de prototipos de

ingeniería acortando el tiempo empleado por métodos convencionales de manufactura. La

base fundamental de este tipo de tecnologías se encuentra en un modelo CAD (computer

aided desing – Diseño asistido por computadora). En la actualidad varias son las técnicas

empleadas de creación rápida; la impresión 3D es una de ellas. La necesidad principal por

la que nace esta tecnología se debe a que, en especial los diseñadores, deben poseer un

modelo físico del producto sobre el cual se encuentren trabajando. A partir de allí, se

podrían generar criterios de diseño los cuales estén direccionados a la potencialización y

desarrollo del modelo.

A su vez la creación rápida de prototipos se divide en dos categorías.

1) Procesos de Remoción de Material

En el proceso de remoción de material se hace referencia a actividades como el

fresado, taladrado y demás acciones en las cuales es necesario construir el modelo

a partir de materia prima en bruto (en bloques). A partir de un bloque y gracias a

la remoción de material se obtiene un objeto con una forma y acabado

11

determinado. En el prototipado rápido involucra la utilización de materiales como

la cera. Por esta razón se menciona en [7], que las actividades realizadas mediante

este tipo de operaciones son de escritorio.

2) Procesos de Adición de Material

El principio básico de esta operación es la formación de un modelo determinado y

modelado mediante un programa CAD a partir de la adición de capas desde una

posición inferior hasta su inmediato superior. La metodología utilizada es variada

se puede utilizar la deposición de filamentos, rayos láser todo dependerá del tipo

de tecnología utilizada.

1.4.2. Introducción a la Impresión 3D

El principio básico de la impresión 3D, desde sus inicios, es la materialización de modelos

CAD previamente establecidos [8]. A lo largo del tiempo se han establecido una serie de

técnicas utilizadas en la manufactura de materiales tales como: el tallado, moldeado,

perforado, entre otros. La impresión 3D es equivalente a un proceso de adición continua

de materia hasta conformar la pieza a reproducir, Figura 4. El proceso de adición puede

ser variada e incluso diferir de un tipo de impresión 3D a otra [9].

Figura 4. Conformación de una pieza por impresión 3D [8].

Gracias al apoyo de controladores de diversos tipos instalados en las máquinas de

impresión, es posible la obtención de modelos de alta complejidad (cavidades internas,

ranuras en interiores, mecanismos internos y demás) así como también la utilización de

diversos materiales entre los cuales se puede nombrar [9]:

• Resinas

12

• Metal

• Polímeros de diversos tipos

• Cerámica

• Vidrio

• Concreto

1.4.2.1.Historia

Chuck Hull, en 1984 introduce la idea al mercado de una impresora 3D. su primer invento

fue lo que hoy se conoce como estereolitografía. Hull, menciona a la "stereolithography

apparatus" como la primera fórmula patentada de creación por capas continuas teniendo

como base un material fotosensible [8]. El material fotosensible al contacto con rayos

ultravioleta se solidifica creando un objeto sólido con una forma determinada; la máquina

fue denominada como SLA-250. El éxito de esta máquina marcó el rumbo para que a la

postre Chuck llegue a poseer más de una centena de patentes relacionadas al prototipado

rápido [2].

La empresa 3D Systems, empresa creado por Chuck en 1986, tiene relación también con

el STL (Standard Tessellation Languaje – Lenguaje Estandar de Teseleado). Hoy por hoy

el archivo STL es un común denominador en la impresión 3D. en 1988 Lisa y Scott Crump

desarrollan en su compañía el FDM (Fused Deposition Modeling – Modelado por

Deposición Fundida) [8]. Unos años después el proceso FDM daría origen a lo que hoy se

conoce como máquinas de impresión del tipo personal. Profesionales en el campo utilizan

también el término FFF (Fabricación por Filamentos Fundidos) debido a que FDM es una

marca que presenta el registro de Stratasys [8, 10].

El MIT (Massachusetts Institute of Technology) en 1993 da origen al 3DP (3-Dimensional

Printing). Con sus bases en la técnica de impresión de tinta en dos dimensiones. La

diferencia era la utilización de un pegamento y partículas de polvo las cuales daban origen

a la pieza en tratamiento [2]. Sin embargo, hasta el 2005 se tuvo que esperar para dar

origen a la Spectrum Z510. Una impresora 3D la cual manufacturaba objetos en colores

13

distintos [9]. A la par en Inglaterra, se crea la primera impresora auto replicante (capacidad

de impresión de sus propios elementos conformantes). Con el paso del tiempo y gracias a

la creación, liberación de patentes de la mano de la innovación se ha podido crear nuevas

impresoras que incluso son utilizadas en el campo espacial [8].

1.4.2.2. Tipos de Impresión 3D

Varias son las técnicas de modelado 3D, entre las que se destacan:

• Modelado por Deposición Fundida (FDM)

Técnica de adición de un filamento fundido el cual atraviesa una boquilla emisora

de calor. la boquilla controla directamente el flujo saliente del filamento. La

formación de la pieza es netamente realizada por capas, Figura 5. En este tipo de

impresión, es conveniente la formación de estructuras de soporte, Figura 6. Esto

se debe a que por acción de la gravedad la pieza, al no tener soportes, podría sufrir

de daños no aceptables [1]. Es una de las tecnologías 3D de menor costo.

Figura 5. Impresora 3D FDM [11]

14

Figura 6. Soportes en impresión 3D FDM [12]

• Sinterizado Láser Selectivo (SLS)

La característica más sobresaliente de este tipo de impresión es que el material de

conformado es un polvo. Por la acción de un láser, las partículas de polvo se

sinterizan dando como resultado una pieza, Figura 7. Las densidades de las partes

obtenidas estarán en dependencia de la potencia del láser, así como también del

tiempo de exposición. Una de las ventajas frente a la impresión FDM es que no

necesita de soportes, como resultado, se tiene una pieza sin necesidad de limpieza

alguna después de la impresión. El polvo actúa como soporte a la hora de la

impresión de las capas [8].

Figura 7. Impresión SLS [13]

• PolyJet

Similar a la impresión de inyección de tinta en papel. La diferencia radica en que

se utiliza un fotopolímero en estado líquido que al ser curado de manera

15

instantánea por rayos ultravioletas pasa a un estado sólido [9]. Este proceso se

repite por capas modelando así la pieza requerida. La máquina, Figura 8, inyecta

un gel destinado a ser el soporte de la pieza. Para eliminarlo basta con lavarlo.

Figura 8. Impresora 3D PolyJet [14]

• Estereolitografía SLA.

Similar a PolyJet, la diferencia radica en el fotopolímero. Para este caso es de un

estado viscoso. Al igual que el anterior gracias a la acción de la luz, la resina se

transforma de estado líquido viscoso a un estado sólido. El láser es el encargado

de formar la pieza gracias al movimiento que posee [2]. La figura 9, muestra un

esquema de una máquina de estereolitografía.

Figura 9. Esquema de una impresora SLA [15]

16

Ellas son parte de una amplia variedad de tecnologías, otras tecnologías se detallan en la

Tabla 1.

Tabla 1. Tecnologías de impresión 3D existentes [16].

1.4.2.3.Fases de la Impresión 3D

La Figura 10, señala cada una de las fases que se deben cumplir para la impresión 3D de

cualquier elemento. Este proceso es aplicable para cualquier tipo de impresión 3D.

17

Figura 10. Fases de la Impresión 3D.

1.4.3. Impresión 3D por Estereolitografía

Producto de la evolución de la impresión en 3D se encuentra la Estereolitografía (SLA).

Es una tecnología de fabricación la cual utiliza un láser de luz ultravioleta fusionando

partículas de resina foto-curable capa por capa [17]. Este proceso es realizado hasta

obtener el modelo deseado. En función de la geometría del modelo a generarse, puede o

no ser necesario la impresión de material de soporte. El material de soporte está destinado

a mitigar cualquier tipo de colapso en el modelo que se pudiera generar en el proceso de

conformado [10]. Una vez terminado el proceso, es necesario remover cualquier tipo de

material extra generado [18].

El láser encargado de foto curar la resina es controlado por un par de galvanómetros [19].

El galvanómetro es el instrumento encargado de la medición de la corriente la cual está

siendo utilizada por un artefacto determinado [10]. A medida que el láser endurece cada

capa del modelo a reproducir, el contenedor de resina se mueve despegándose de la capa

sólida. Posterior a esto, la superficie de impresión se eleva una distancia comprendida

18

entre 26 y 200 μm [19]. La distancia de elevación estará en directa dependencia a la

elección del diseñador y del modelo.

Figura 11. Proceso de Impresión 3D por Estereolitografía [20]

El tiempo requerido para la materialización de una pieza estará comprendido entre horas

e incluso días. Todo se relaciona con la fisonomía y complejidad de la pieza en

tratamiento. Hablando de otros factores que influyen de manera directa en el tiempo se

habla también del espesor de cada capa y la velocidad de exploración. La velocidad de

exploración empleada por el láser está entre 500 – 2500 mm/s [21].

Una estimación del tiempo que tomará formar una pieza se podrá obtener a partir de la

determinación del tiempo empleado por una capa la cual está planteada por la ecuación

(1).

(1)

En donde:

• i: Número de capa

• Ti: Tiempo de conformado de una capa [s]

• Ai: Área de la capa [mm2 – in2]

• v: velocidad de exploración del rayo [mm/s – in/s]

• D: Diámetro del rayo láser en su superficie

19

• Tr: Tiempo de reposicionamiento entre capas [s]

Una vez determinado el tiempo empleado en cada capa se procede a la sumatoria de cada

una de ellas, obteniendo de esta forma el tiempo de construcción (Tc) desde la capa uno

(i=1) hasta el n número de capas empleadas así:

(2)

1.4.3.1.Post Curado

Uno de los objetivos del post curado es potencializar las conexiones moleculares que se

generan como parte del proceso de conformado [22]. Dichas uniones en la mayoría de los

casos no se han podido completar del todo, es por esta razón que el post curado se hace

presente. La exposición al calor y la luz, provoca que la estructura del polímero se vea

reforzada. El refuerzo de los enlaces a la postre desencadena en una mejora en las

propiedades mecánicas del elemento [23]. El post curado genera la pérdida de la pieza.

Dicha pérdida es muy mínima, por lo tanto, no afecta considerablemente en piezas cuya

precisión sea elevada.

La temperatura y el tiempo del curado está en función al módulo de elasticidad. Gracias a

las regulaciones provistas por la ASTM, se puede obtener un tiempo y una temperatura

adecuada para cada una de las resinas existentes en el mercado a partir de la determinación

del módulo [24]. La importancia de esta característica se debe a que se asocia al módulo

de elasticidad con la plenitud de unión de los enlaces que conforman las diversas cadenas

del polímero [25].

Cuando de la temperatura de post curado es elevada se corre el riesgo de que la pieza sufra

algún tipo de deformación. En contraste, la temperatura elevada acelera el tratamiento del

elemento en cuestión. Por lo general los proveedores de las resinas, detallan un tiempo de

curado y una temperatura gracias a los estudios realizados bajo la normativa ASTM

respectiva.

20

Figura 12. Tiempo y temperatura de post curado para una resina utilizada en

estereolitografía [2]

Resinas como las utilizadas en implantes dentales, necesitan de un tratamiento extra una

vez realizado el post curado. Las pruebas por lo general son de biocompatibilidad

asegurando también la precisión de las piezas generadas.

1.4.3.2.Partes de una Máquina para Impresión 3D por Estereolitografía

Una impresora 3D SLA, consta de una serie de elementos los cuales hacen posible el

hecho de generar la pieza deseada; la figura 13, muestra los componentes de la misma.

21

Figura 13. Partes constitutivas de una impresora 3D SLA. [15]

1.4.3.3.Materiales

Al igual que procesos de impresión como el FDM, la estereolitografía presenta una amplia

gama de opciones a considerar a la hora de producir un elemento. Según [19], se plantea

3 clases diferentes de materiales utilizados.

1) Resina apta a recepción de pintura.

2) Resina Gris

3) Resina del tipo transparente.

Por lo general, están en función a la aplicación que se le dará en el futuro a la pieza:

Decoraciones, usos de ingeniería, medicina y varias otras aplicaciones. Por otra parte, si

se le agrega un pigmento como resultado se tendrá una variación en la transparencia.

Puede ser cristalina como el agua o en casos especiales podría asemejarse a una resina del

tipo gris. Por otro lado, el acabado superficial también juega un papel fundamental. Puede

ser del tipo natural o básica. Está determinada por el tipo de resina, el número de pasos de

acabado de la máquina, así como también de la tecnología en uso. Económicamente

hablando, el acabado natural posee un coste económico menor a cualquier tipo de

22

tratamiento adicional utilizado. Sin embargo, en su superficie se notarán las capas que

conforman la pieza [17].

Figura 14. Resina Gris SLA [26]

Si comparamos los tres tipos de resinas utilizados comúnmente se puede concluir que: la

resina gris presenta una gran precisión en detalles finos. La resina pintable puede ser

utilizada en fines decorativos sin embargo los soportes del modelo no deberán ser

retirados, en pocas palabras se puede hablar de una resina limitada en uso.

1.4.3.4.Campos de Aplicación de la Impresión 3D SLA

La impresión 3D SLA, al igual que las demás, ha demostrado ser una buena alternativa de

aplicación en diversos campos cotidianos, entre los destacados se encuentran:

• Campo Médico (Prótesis, inserciones dentales, entre otras)

• Automoción

• Campo Aeroespacial

• Bienes de uso cotidiano (Adornos)

• Educación

• Ingeniería

Este gran aporte se debe a dos características específicas:

23

• Elevada precisión

• Generación de superficies complejas (Ondulaciones, cambios de sección y

demás)

Gracias a ellas se puede reproducir casi cualquier tipo de pieza siempre y cuando sea

digitalizada.

1.4.3.5.Ventajas y Desventajas

• Ventajas

• Precisión alta

• Obtención de superficies complejas (Ondulaciones, cambios de sección,

detalles finos, entre otros)

• Aplicación de pigmentos y/o pinturas con fines netamente estéticos

• Desventajas

• Costos altos en dependencia al tipo de resina, máquina, curado.

• Acceso relativamente limitado a los consumibles (Resina)

• Las resinas presentan características del tipo toxicas e irritantes

• Limpieza de los modelos producidos (Eliminación de soportes o

cualquier tipo de material extra generado)

1.4.4. Ensayos

Para la determinación y caracterización de las propiedades mecánicas de un material, es

imperativo realizar ensayos, sean estos no destructivos o destructivos. Un ensayo, posee

dos metas destacables como lo son:

1) Contribuir con nueva y/o mejor información sobre nuevos materiales

2) Generar mediciones precisas sobre alguna propiedad de un material

24

Los ensayos destructivos (Tracción, compresión, dureza) han sido el común denominador

a la hora de caracterizar materiales de cualquier naturaleza. Para efectuar cada una de las

pruebas establecidas es necesario la utilización de equipamiento que, de la mano de

normas como las ASTM, ISO, INEN, UNE, aseguren que los resultados poseen un alto

nivel de confiabilidad.

1.4.4.1.Ensayo de Tracción

Uno de los ensayos más practicados en el mundo es el de tracción. Este ensayo da la

oportunidad de generar información relacionado al comportamiento mecánico del material

en tratamiento. Su funcionamiento está basado en la deformación de un material

llevándolo hasta su rotura mediante la aplicación de una fuerza. La fuerza aplicada es del

tipo uniaxial. Para polímeros es necesario utilizar una máquina de 50kN las misma es apta

para ensayar materiales como cables, cerámicos, textiles, entre otros.

Figura 15. Máquina de ensayos de Tracción. [3]

El procedimiento del ensayo consiste en, una vez sujetada la muestra a las mordazas de

máquina, aplicar una carga secuencialmente. De esta manera se espera obtener los datos

solicitados para caracterizar un material mecánicamente. En el caso de los polímeros, la

norma que regula este ensayo es la ASTM D638-14.

• Resistencia Máxima a la Tracción

25

Se la obtiene mediante la relación establecida entre la fuerza máxima aplicada y el

área del elemento. La relación está dada por:

(3)

En donde:

σ: Esfuerzo último de Tracción [MPa]

Pmax: Fuerza máxima registrada antes de la ruptura del material [N]

A: Área promedio medida en la sección transversal del elemento en tratamiento

[mm2]

• Módulo de Elasticidad

Relación lineal comprendida entre el esfuerzo y la deformación unitaria. También

es conocido como módulo de Young en honor a Thomas Young (1773 – 1829).

(4)

En esta relación:

E: Módulo de Young [MPa]

σmax: Esfuerzo máximo axial [MPa]

ε: Deformación axial

• Deformación Unitaria

La deformación de un material está en función a su alargamiento y acortamiento,

el cual matemáticamente hablando se la puede determinar como:

(5)

En donde:

ε: Deformación axial

lf: Longitud final

li: Longitud inicial

26

Si la relación anterior se la multiplica por 100, lo que se obtiene es el porcentaje

de deformación, el cual está dado por:

(6)

De Manera resumida, el ensayo de tracción permite obtener:

Figura 16. Ensayo de Tracción.

1.4.4.2.Ensayo de Dureza

La dureza se define como la resistencia que posee un determinado material a ser penetrado

por un cuerpo de mayor dureza. La norma que rige este ensayo es la ASTM D2240. Al

igual que el ensayo de tracción, esta norma regula el procedimiento a llevar a cabo en esta

prueba. En polímeros la escala más utilizada en la Shore A y D. Hablando de materiales,

se puede argumentar que en la escala Shore A, está los elastómeros del tipo blando

mientras que en la escala Shore D, los termoplásticos.

El procedimiento es simple, el identador es el encargado de penetrar la probeta en una

zona localizada. A partir de aquí, se registra el rebote generado por el material mostrando

así la dureza obtenida. La evaluación de la dureza superficial del material está en

dependencia a la profundidad de penetración del material. La máquina a utilizar es el

durómetro.

27

Figura 17. Durómetro.

1.4.4.3.Ensayo de Abrasión

La resistencia que tienen las superficies a la abrasión es evaluada en este ensayo. La

normativa utilizada para este ensayo es la ISO 9352. El ensayo consiste en someter una

probeta a la abrasión y, por lo tanto, rozamiento de las muelas abrasivas durante un periodo

de tiempo y carga establecida por la norma. La expresión de los resultados está en función

a la pérdida de masa, volumen y cambios en las propiedades ópticas de la probeta.

28

Figura 18. Abrasímetro.

En el proceso de abrasión, existen partículas que se desprenden tanto del material en

análisis como de las muelas. Es por ello, que el Abrasímetro posee una aspiradora que

cumple la función de recoger las partículas evitando que estas puedan provocar una

incidencia negativa durante la realización de la prueba.

El Abrasímetro tiene la ventaja de ser muy aplicable en una gran variedad de materiales

tales como telas, polímeros de diversos tipos, elastómeros (Cauchos) e incluso se podría

hablar de materiales del tipo cerámico, incluyendo también a los recubrimientos del tipo

superficial. Por otro lado, las muelas abrasivas desempeñan un papel muy importante. De

ellas depende el tipo de abrasión. En el mercado existe una amplia gama de muelas

abrasivas. Entre ellas destacan tres tipos.

1) Abrasión Fina

2) Abrasión Media

3) Abrasión Fuerte

Cada una de ellas pueden ser utilizadas en varios materiales, sin embargo, dependerá del

tipo de análisis a llevarse a cabo.

29

Figura 19. Muelas Abrasivas.

El funcionamiento de la máquina está centrado en el giro del plato principal de la misma,

transversal a él y sobre ejes del tipo horizontal se encuentran las muelas las cuales giran

en direcciones opuestas de esta manera se produce el movimiento de desgaste requerido.

Esquematizándolo de mejor manera la figura 20, muestra en principio básico del

Abrasímetro.

Figura 20. Esquema del sistema giratorio del Abrasímetro. [27]

Las muelas centran la abrasión en una zona específica la cual adopta la forma de un anillo.

En el proceso una muela es la encargada del desgaste en la zona exterior del anillo

mientras que la otra desgasta el interior. La figura 21, muestra el accionar de las muelas y

la formación del anillo que es la zona sobre la cual se produce el desgaste.

30

Figura 21. Proceso de Desgaste.

31

CAPÍTULO II

METODOLOGÍA

2.1. Materiales

Los materiales utilizados para el presenta trabajo se encuentran detallados en la Tabla 2.

Tabla 2. Materiales utilizados.

Material Empleado Figura

Resina Form Estándar (Clear)

fotocurable.

Resina Form de Ingeniería

(Tough) Fotocurable

32

Impresora 3D SLA (Form 2)

Máquina de limpieza de resina

(Form Wash)

Máquina de curado por rayos UV

(Form Cure)

33

Alcohol Isopropílico

2.1.1. Obtención de la Materia Prima

La resina estándar, así como la resina Tough de ingeniería utilizada para prototipado del

tipo robusto, se obtuvo en un centro especializado en impresión 3D en la ciudad de Quito,

ubicado en el norte, Edificio Shyris Park.

2.2.Métodos

2.2.1. Nivel de Investigación

Experimental

Realización de una serie de experimentos con el fin de obtener una referencia con la cual

se podría determinar las posibles aplicaciones en el campo de la ingeniería.

Bibliográfica

Para la investigación presentada es de importancia la obtención de información a partir de

fuentes bibliográficas cuyo nivel de confianza sea elevado como lo son los artículos

científicos, libros, tesis y demás fuentes que contribuyan con el perfeccionamiento del

trabajo presentado.

34

Cuantitativa

Es aplicable este tipo de investigación debido a que los datos obtenidos en su mayoría

serán de carácter numérico. Este tipo de datos contribuirán a la determinación de

propiedades del material obtenido.

2.2.2. Metodología

Diseño de Experimentos.

El diseño de experimentos (DOE), ha demostrado ser una herramienta efectiva para la

determinación de pruebas y las formas de realización. Todo esto con el objetivo de obtener

evidencias del tipo objetivas a partir de los datos derivados de cualquier tipo de proceso,

ensayo o cualquier actividad en análisis. El diseño estadístico hace énfasis en la planeación

del experimento desembocando en la obtención de datos acordes a la investigación [28].

El enfoque estadístico es muy importante en este punto del trabajo debido a que permitirá

establecer criterios de valoración relacionado con los datos. Debido a que el estudio está

sujeto a errores del tipo experimental la metodología estadística es la que mejor se adapta

a la situación.

A partir de lo anterior se puede llegar a argumentar que existen dos consideraciones

importantes.

1) Diseño Experimental

2) Análisis Estadístico de los Resultados.

El diseño de experimentos posee tres ejes principales los cuales son:

1) Réplicas (Repetición del experimento)

2) Aleatorización (Orden de los ensayos al azar)

3) Conformación de Bloques (Mejorar la precisión)

35

Diseño Factorial

El diseño factorial hace alusión a la conformación de los procedimientos a comprobarse.

[29]. El efecto de varios factores y como inciden sobre las diferentes respuestas es otra de

las maneras de caracterizar al diseño factorial. El hecho de estudiar de manera simultánea

varios factores se debe a que existe una posibilidad en la cual el efecto de cambio de un

factor afecte a otro, en dependencia a los niveles de los mismos. Esto se conoce como

interacción [29].

Entre las ventajas de utilizar un diseño factorial se tiene:

• Da la posibilidad de estudiar la interacción entre los distintos niveles.

• Obtención de información de manera económica en el material experimental.

• El rango de validez del experimento se amplía.

Diseño Factorial Completo del Estudio.

Considerando los factores:

• A (Tipo de Resina)

• B (Tiempo de Curado)

Con los siguientes niveles de prueba:

• a (Resina Estándar y Resina de Ingeniería)

• b (Sin Curado, Curado Recomendado, y Curado Máximo)

Se tiene:

(a,b) ≥ 2 (Niveles de Prueba mínimo Requeridos)

El factorial utilizado sería:

a x b

3 x 2 = 6

Siendo 6 el número de experimentos requeridos. Por lo que la matriz quedaría de la manera

presentada:

36

Tabla 3. Experimentos Requeridos.

Tiempo de Curado

Sin Curado Curado

Recomendado Curado Máximo

Resina Estándar (Clear) 1 1 1

Resina de Ingeniería (Tough) 1 1 1

Complementando el modelo, el número de réplicas (n) es necesario debido a que se

involucra menos de cuatro factores, así tenemos que el número de corridas experimentales

serán de 5, es decir n= 5 por lo que:

n (a x b)

5 (3 x 2) = 30

Se realizarán 5 réplicas por cada experimento esto con el fin de que las pruebas estadísticas

tengan un peso considerable aumentando su nivel de confianza. Por lo que, la tabla del

experimento será:

Tabla 4. Experimentos Requeridos.

# Tipo de Resina Tiempo de Curado [min]

1 RE 0

2 RE 15

3 RE 30

4 RI 60

5 RI 120

6 RI 0

7 RE 0

8 RE 15

9 RE 30

37

# Tipo de Resina Tiempo de Curado [min]

10 RI 60

11 RI 120

12 RI 0

13 RE 0

14 RE 15

15 RE 30

16 RI 60

17 RI 120

18 RI 0

19 RE 0

20 RE 15

21 RE 30

22 RI 60

23 RI 120

24 RI 0

25 RE 0

26 RE 15

27 RE 30

28 RI 60

29 RI 120

30 RI 0

Leyenda.

Tabla 5. Leyenda.

Leyenda Descripción

RE Resina Estándar

RI Resina de Ingeniería

38

2.2.2.1. Normativa de Evaluación para los Ensayos

La normativa de evaluación para cada ensayo gira en torno a:

• Tracción: ASTM D638

• Dureza: ASTM D 2240

• Abrasión: ISO 9352.

Cada una de ellas, su procedimiento y consideraciones han sido detallados en puntos

anteriores.

2.2.2.2. Operacionalización de las variables

Variable dependiente: Propiedades del material dureza, desgaste y abrasión.

Tabla 6. Operacionalización de variables

Definición de la Variable Categoría Indicador Ítems Técnicas e

Instrumentos

La dureza de un material está

relacionada con la resistencia a la

identación que presenta. Para el

caso puntual de los polímeros la

resistencia a la penetración está en

función a la aplicación de una

carga constante en su superficie

Dureza Escala de Dureza Dureza Shore D

Fichas de

Registro

Ensayos

Hoja de

Cálculos

La abrasión es el rozamiento de las

muelas abrasivas durante un

periodo de tiempo y carga

establecida. A partir de ello se

intenta determinar tanto el

porcentaje de masa perdida como

el índice de desgaste. Que a la

postre servirán como

caracterizadores del material.

Desgaste y

abrasión

Índice de Desgaste

Taber [IDT]

Diferencia de

pesos [mg] en

función al

número de ciclos

Pérdida de masa

Porcentaje [%]

de pérdida de

masa en función

al número de

ciclos

39

Variable independiente: Tipo de resina utilizada (Tough – Clear).

Tabla 7. Operacionalización de variables

Definición de la Variable Categoría Indicador Ítems Técnicas e

Instrumentos

En el campo de la

impresión 3D SLA, el

principal material

utilizado es la resina.

Mencionado elemento al

tener varios tiempos de

curado puede

experimentar cambios en

sus propiedades

mecánicas. Sin embargo,

de acuerdo a la utilidad las

propiedades difieren unas

de otras

Resina

Estándar

Tiempo

de

Curado

Sin Curado 0 min

Fichas de Registro

Medio 15 min

Máximo 30 min

Resina Tough

(Ingeniería)

Tiempo

de

Curado

Sin Curado 0 min

Medio 60 min

Máximo 120 min

2.3. Protocolo Para La Recolección de Datos

Para la recolección de la información es necesario la elaboración de fichas las cuales están

en función a los resultados obtenidos a partir de la elaboración de los ensayos. Los datos

serán arrojados por una parte por el durómetro Shore, y el Abrasímetro Taber. Cabe

recalcar que, en lo referente al Abrasímetro es necesario la utilización de una balanza

electrónica previamente calibrada.

Por otro lado, se utilizará investigación del tipo bibliográfica esto con el fin de obtener

información acerca de temas específicos, por ejemplo, propiedades de la resina, tiempos

de curado. Esta información está descrita en catálogos propios del fabricante.

40

2.4. Elaboración de las Probetas

La impresión 3D, como se ha mencionado en puntos anteriores, es uno de los procesos de

conformado más sencillos de la manufactura por lo que existen una cantidad limitada de

pasos a seguir. Todo inicia a partir del diseño de la pieza a generar mediante la ayuda de

un software CAD. A continuación, se exporta el modelo a un programa CAM, cuya

función principal es generar los códigos de impresión considerando la máquina a utilizar.

Posterior a ello se procede con la limpieza del modelo para finalmente someterlo a un post

curado de acuerdo a las necesidades tanto del fabricante como del cliente.

En la figura 22, se detalla el proceso llevado a cabo para la obtención de las probetas

para los diferentes ensayos utilizados en este trabajo.

41

*Nota: El mismo proceso se realizó para la conformación de las probetas de resina Tough de Ingeniería.

Figura 22. Elaboración de Probetas.

Elaboración de las probetas

mediantes un software CAD

obedeciendo a las normas de ensayo

Incorporación del modelo CAD a un

software CAM especializado en impresión 3D.

Impresión 3D mediante la

máquina FORM 2 SLA.

Limpieza de la probeta impresa

en alcohol Isopropílico en la máquina FORM

Wash

Curado de las probetas en la

máquina FORM CURE a los

niveles establecidos

Generación del

código de

impresión

obedeciendo a la

máquina a utilizar

42

2.5. Plan de Procesamiento y Análisis

En lo que se refiere al registro de datos se lo realizará en fichas para una mejor

presentación e interpretación. En cada probeta del ensayo de abrasión se tomará una

medición de dureza. Individualmente las probetas serán pesadas en una balanza

previamente calibrada. Una vez realizado el ensayo de abrasión las probetas serán

limpiadas para ser pesadas una vez más en la balanza. Esto obedeciendo a los

requerimientos de la norma para ensayos de abrasión, ISO 9352. Las mediciones de masa

de las probetas están en gramos (gr). Además, se calculará el Índice de Desgaste Taber

[IDT]. La organización en fichas dará la posibilidad de un mejor análisis en el futuro.

2.6. Ensayos.

2.6.1. Procedimiento para la Elaboración del Ensayo de Abrasión.

El ensayo de abrasión tuvo lugar en el laboratorio de materiales de la Facultad de

Ingeniería Civil y Mecánica de la Universidad Técnica de Ambato. La máquina utilizada

es el Abrasímetro Taber de un solo plato y dos muelas de abrasión.

Tabla 8. Procedimiento para ensayos de abrasión.

Paso Actividad Descripción Fotografía

1 Calibración y conexión

La calibración consiste en

colocar tanto la velocidad

como el número de ciclos que

se cumplirán en la máquina

(1000 ciclos, 72 ± rpm).

Además, se deberá conectar

los elementos constituyentes

de Abrasímetro (Aspiradora)

2 Colocación de las

muelas

Se procede a colocar la

muestra las muelas en los

brazos del Abrasímetro

43


3 Fijación de la muestra

a ser ensayada

La muestra a ser ensayada se

ubica en el plato central. Si es

sólida deberá ser fijada

mediante el tonillo, si es tela

deberá tener fijación adicional

(Anillo de fijación)

4 Ubicación de las pesas

Las pesas deberán ser

ubicadas en los brazos del

Abrasímetro (1000 gr). Esto

de acuerdo a la norma. Y se

baja los 3 brazos

constituyentes del sistema

5 Ensayo

En este punto se procede con

el inicio del conteo regresivo

de los ciclos requeridos a la

velocidad calibrada

6 Extracción y Limpieza

Una vez finalizado el ensayo

se procede a extraer la

muestra limpiarla y continuar

con el proceso.

44


7 Pesaje

Una vez finalizado el ensayo

de la muestra se procede a

pesar la probeta en una

balanza calibrada. Cabe

recalcar que este proceso

debe realizarse antes y

después del ensayo

8 Rectificado de las

muelas

Una vez ensayado un

determinado material es

necesario rectificar las muelas

para poder obtener la

influencia de granos en el

próximo ensayo. Esto se debe

realizar con el Papel de lija

provista por el fabricante.

2.6.2. Procedimiento para la Elaboración del Ensayo de Dureza.

El ensayo de dureza al igual que el anterior, también se lo realizó en el Laboratorio de

materiales de la Universidad Técnica de Ambato considerando los siguientes pasos.

45

Tabla 9. Procedimiento para ensayos de dureza.


1 Preparación de la

Superficie

La superficie a ser ensayada

debe ser limpieza a

profundidad para evitar que

cualquier tipo de partícula

afecte la medición. Además,

debe ser una superficie lo más

plana posible.

2 Medición

Se procede a la medición del

material con el durómetro

Shore D. Se recomienda que

se lo mantenga firme a la

hora del ensayo

4 Registro

Una vez se haya estabilizado

la medición se procede al

registro de los datos.

2.6.3. Ensayo de Tracción

El ensayo de tracción es un compendio de una serie de autores cuyas investigaciones han

sido realizadas bajo normativa ASTM específicamente D638. Las investigaciones

llevadas a cabo son directrices cuya información ha sido validada conforme han pasado

los años. [30, 31] presentan los resultados obtenidos por parte del fabricante (Form Lab),

[32] y [33] son estudios orientados a la modelación matemática de las resinas en cuestión,

sin embargo para la modelación se presentan los resultados del ensayo de tracción

evaluados bajo la normativa respectiva.

46

CAPÍTULO III.- RESULTADOS Y DISCUSIÓN

3.1. Análisis y discusión de los resultados.

3.1.1. Adquisición de los Datos.

En esta parte del trabajo, abarca todo lo relacionado al registro, procesamiento,

evaluación y análisis de los datos arrojados a partir de los experimentos planteados

con anterioridad. El registro ordenado de cada dato permite determinar de mejor

manera las propiedades mecánicas del material.

Los datos obtenidos, especialmente del ensayo de abrasión, son expuestos en

fichas mediante las cuales se podrá visualizar de mejor manera los resultados

generados. Para cada tipo de condición se realizaron 5 repeticiones con el fin de

aumentar la confiabilidad. Además, es necesario argumentar que cada ensayo se

lo realiza bajo la respectiva norma cumpliendo con cada uno de los ítems

propuestos.

Las fichas utilizadas en la exposición de los resultados muestran datos de interés

técnico. Es decir, en cada ficha se podrá evidenciar los parámetros utilizados en

cada ensayo. Por otra parte, se proporciona también información detallada del tipo

de probeta utilizada en el ensayo. Los datos generados en el ensayo de abrasión

Taber se presentan a continuación en las fichas de la 3.1.1.1 a la 3.1.1.6

47

3.1.1.1. Ficha de Registro para datos Abrasión Taber. Experimento 1 con resina

Estándar (Sin exposición a Rayos UV).




DATOS INFORMATIVOS:

Probetas: 5 Autorizado por: Ing. Cristian Pérez Realizado por: Oscar Villena L.

Lugar de estudio y análisis Laboratorio de Materiales- FICM Fecha:

Tipo de estudio De laboratorio

Normas aplicadas ISO 9352

DATOS PARA EL ENSAYO DE DESGASTE ABRASIVO TABER

Característica de la probeta Características de la máquina

Resina Clear Fotocurable Velocidad del Disco 72 rpm ± 2 rpm

Temperatura Ambiente 19.7 ° C Disco Abrasivo utilizado H22

Dimensión ϕ 100.2 ±0.2 mm Tipo de Abrasión Fuerte

Espesor: 4 mm Carga aplicada a los brazos 1000 gr

Tiempo de exposición UV 0 min Número de Muelas 2

RESULTADOS

Peso Inicial (gr) Peso final (gr) Índice de Desgaste Taber

(IDT)

Porcentaje de Pérdida

de Masa (%) Ciclos

37.3715 36.3582 1013.38 2.7116 % 1000

37.0631 36.0851 977.94 2.6386 % 1000

37.1946 36.3025 892.120 2.3985 % 1000

36.9339 36.2064 727.54 1.9698 % 1000

37.0630 36.2270 835.94 2.2555 % 1000

Observaciones:

DUREZA DE LAS PROBETAS [Shore

D]:

1) 087.5

2) 080.5

3) 082

4) 086.5

5) 084.5

48


Estándar (15 min de exposición a Rayos UV).




DATOS INFORMATIVOS:












RESULTADOS


(IDT)


de Masa (%) Ciclos

37.0628 36.8055 257.3 0.6942 % 1000

37.3716 37.2107 160.9 0.4305 % 1000

36.9338 36.7679 165.88 0.4491 % 1000

37.0628 36.9039 158.94 0.4288 % 1000

37.1945 36.8386 355.9 0.9569 % 1000

Observaciones:


D]:

1) 091.5

2) 092

3) 090.5

4) 089

5) 079.5

49


Estándar (30 min de exposición a Rayos UV).




DATOS INFORMATIVOS:












RESULTADOS


(IDT)


de Masa (%) Ciclos

37.0526 36.7805 272.14 0.7345 % 1000

37.0468 36.8532 193.6 0.5226 % 1000

36.9447 36.7701 174.58 0.4725 % 1000

37.3527 37.1581 194.6 0.5210 % 1000

37.1920 36.9311 260.9 0.7014 % 1000

Observaciones:


D]:

1) 088.5

2) 086.5

3) 077

4) 086

5) 091.5

50

3.1.1.4.Ficha de Registro para datos Abrasión Taber. Experimento 4 con resina de

ingeniería (Tough) (Sin exposición a Rayos UV).




DATOS INFORMATIVOS:







Resina Tough Fotocurable Velocidad del Disco 72 rpm ± 2 rpm





RESULTADOS


(IDT)


de Masa (%) Ciclos

36.9751 36.6997 275.36 0.7447 % 1000

37.1294 36.8044 324.92 0.8751 % 1000

36.8371 36.5067 330.4 0.8969 % 1000

36.9232 36.6882 235 0.6365 % 1000

36.8272 36.5611 266.08 0.7225 % 1000

Observaciones:


D]:

1) 041.5

2) 042.5

3) 049.5

4) 047

5) 053.5

51


ingeniería (Tough) (60 min de exposición a Rayos UV).




DATOS INFORMATIVOS:












RESULTADOS


(IDT)


de Masa (%) Ciclos

37.1252 36.9919 133.34 0.3592 % 1000

36.8283 36.6706 157.72 0.4283 % 1000

36.9857 36.847 138.64 0.3748 % 1000

36.973 36.7903 182.68 0.4941 % 1000

36.9055 36.7217 183.78 0.4980 % 1000

Observaciones:


D]:

1) 072.5

2) 074

3) 075.5

4) 079.5

5) 086.5

52


ingeniería (Tough) (120 min de exposición a Rayos UV).




DATOS INFORMATIVOS:












RESULTADOS


(IDT)


de Masa (%) Ciclos

38.3589 38.1388 220.14 0.5739 % 1000

38.2293 38.0466 182.72 0.4780 % 1000

38.1924 38.0073 185.1 0.4847 % 1000

38.3077 38.1525 155.22 0.4052 % 1000

38.2093 38.0836 125.72 0.3290 % 1000

Observaciones:


D]:

1) 070.5

2) 074

3) 084

4) 085.5

5) 074.5

53

3.2. Análisis de Resultados.

3.2.1. Ensayo de Tracción

A partir de una investigación bibliográfica se ha logrado determinar las características de

las resinas utilizadas en este trabajo específicamente en la relacionado al ensayo de

tracción. Para la resina Clear, los resultados se exponen en la Tabla 8. En mencionada

tabla se exponen los resultados obtenidos a partir de varios estudios cuyo nivel de

confianza es elevado.

La Tabla 9, expone los resultados que se han obtenido en varios estudios realizados con

la resina de Ingeniería (Tough). Al igual que la resina Clear los resultados posee un

elevado nivel de confianza. Cabe recalcar que, entre los estudios realizados figura la

investigación llevada a cabo por el fabricante en Estados Unidos.

54

Resultados Ensayo de Tracción para la Resina Estándar (Clear).

Tabla 10. Resultados Ensayo de Tracción para la resina Clear. [30, 31, 32, 33]

Característica Autor 1 Autor 2 Autor 3 Promedio

Tiempo de Curado [min] 0 15 30 0 15 30 0 15 30 0 15 30

Resistencia a la Tracción

[MPa] 38 41,36 61,61 38,37 41,53 64,33 30,89 33,63 50,09 35,755 38,844 58,678

Módulo de Young [Gpa] 1,6 1,72 2,45 1,62 1,75 2,59 1,30 1,39 1,99 1,507 1,623 2,344

Elongación [%] 12 10,02 7,4 11,3 9,98 7,09 9,75 8,11 6,03 11,019 9,372 6,842

*Nota:

Autor 1. [30, 31]

Autor 2. [32]

Autor 3. [33]

55

Resultados Ensayo de Tracción para la Resina de Ingeniería (Tough).

Tabla 11. Resultado Ensayo de Tracción para la Resina de ingeniería Tough. [30, 31, 32, 33]

Característica Autor 1 Autor 2 Autor 3 Promedio

Tiempo de Curado [min] 0 60 120 0 60 120 0 60 120 0 60 120

Resistencia a la

Tracción [MPa]

34,7 48,1717 55,7 36,52 46,36 53,362 30,5 43,23 44,3069 33,91 45,92 51,12

Módulo de Young [GPa] 1,7 2,36 2,7 1,76 2,23 2,59 1,494 2,074 2,37 1,65 2,22 2,55

Elongación [%] 42 28,19 24 43,8 29,29 25,05 36,92 24,81 21 40,91 27,43 23,35

*Nota:

Autor 1. [30, 31]

Autor 2. [32]

Autor 3. [33]

56

Procedimiento de obtención y análisis de datos estadísticos

Al tener una experimentación que involucra diversos factores procedemos con el análisis

de la varianza. El estudio considera 2 factores (A, B) con sus respectivos niveles. Al

considerar el factor A en dos niveles, el efecto individual es del tipo lineal (no se los puede

descomponer).

Considerando ello, y de manera resumida se presenta la Tabla 4, con las medias de las

experimentaciones realizadas obedeciendo a la cantidad de réplicas propuestas.

Tabla 12. Análisis estadístico.

Tiempo de Curado

Sin Curado Curado

Recomendado Curado Máximo

Resina Estándar (Clear) 𝑌1 𝑌2 𝑌3

Resina de Ingeniería (Tough) 𝑌4 𝑌5 𝑌6

Suma de Cuadrados

Considerando los cálculos previos, se procede con la obtención de la suma de los

cuadrados (SC) para un modelo factorial completo y en función a los factores utilizados

[29], para ello es necesario la utilización de las siguientes fórmulas:

(7)

(8)

En donde:

Tabla 13. Términos de las fórmulas.

Término Descripción

a Número de niveles en el factor A

b Número de niveles en el factor B

n Número total de réplicas

Yi Media del iésimo nivel del factor A

57


Y.. Media general de todas las observaciones

Y.j. Media del jésimo nivel del factor B

Grados de Libertad

Los grados de libertad (GL) los cuales se encuentran asociados con cada suma de los

cuadrados viene planteada por:

𝐺𝐿(𝐴) = 𝑎 − 1 (9)

𝐺𝐿(𝐵) = 𝑏 − 1 (10)

𝐺𝐿 𝐸𝑟𝑟𝑜𝑟 = 𝑛 − 𝑝 (11)

𝐺𝐿 𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝑛 − 1 (12)

En donde:



a Número de niveles en el factor A

b Número de niveles en el factor B

n Número total de observaciones

p Número de coeficientes

Cuadrado Medio

El cuadrado medio, (CM), se lo obtiene a partir de la relación entre la suma de cuadrados

y los grados de libertad. Matemáticamente hablando queda expresado como:

𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝐶𝑀 =𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑆𝐶

𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝐺𝐿 (13)

Para el error tenemos que:

𝐸𝑟𝑟𝑜𝑟 𝐶𝑀 =𝐸𝑟𝑟𝑜𝑟 𝑆𝐶

𝐸𝑟𝑟𝑜𝑟 𝐺𝐿 (14)

58

Valor F

El valor F, es una de las pruebas utilizadas para la determinación de la significancia de las

relaciones de interacción y de efectos principales. El modelo matemático utilizado está en

función a:

𝐹 =𝐶𝑀 𝑇É𝑅𝑀𝐼𝑁𝑂

𝐸𝑅𝑅𝑂𝑅 𝐶𝑀 (15)

Valor P

El valor P equivale a una probabilidad calculada a partir de una distribución F, con los

grados de libertad para los términos en la prueba y los grados de libertad para el error.

Está denotado por:

1 − 𝑃(𝐹 ≤ 𝑓𝑗) (16)

En donde:



P(F≤fj) Función de distribución acumulada para la distribución F

f Estadístico F para la prueba

A manera de resumen la tabla de resultados final quedaría expresada matemáticamente de

la siguiente manera:

Tabla 16. Relación Matemática resumida

GDL SC MC F P

n-1 *SC

En función al

término

SC/GDL MC/MCE 1-P(F≤fj)

MCE

59

Valor S

Por otra parte, tenemos el valor S, el cual pertenece a la desviación estándar (σ) dentro de

las muestras tomadas

R- Cuad

El R-Cuad está denotado mediante la siguiente relación:

1 −𝐸𝑟𝑟𝑜𝑟 𝑆𝐶

𝑆𝐶 𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 (17)

Una manera diferente de representar a este valor es:

𝑆𝐶 𝑑𝑒𝑙 𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟

𝑆𝑐 𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 (18)

Siendo el SC la suma de los cuadrados calculada anteriormente.

El R-cuad ajustado está expresado en función del cuadrado medio del error, la suma de

cuadrados total y los grados de libertad total. Matemáticamente queda expresado por:

1 −𝐸𝑟𝑟𝑜𝑟 𝐶𝑀

𝑆𝐶 𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙

𝐺𝐿 𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙

(19)

El R-cuad (Pred), está denotado mediante la siguiente relación.

(20)

En donde:



yi iésimo valor de respuesta observado

y Respuesta media

n Número de observaciones

ei iésimo residuo

hi iésimo elemento diagonal de la matriz de diseño

60

A partir del análisis estadístico correspondiente (Annova) se puede argumentar que, en la

resistencia a la tracción no existen diferencias marcadas en las propiedades de las resinas.

Al aumentar el tiempo de curado aumenta la resistencia a la tracción, tanto a 15 min como

a 60 se puede evidenciar un aumento en el caso de la resina Clear del 8.63% y en el de la

resina Tough del 35.41% aproximadamente. A pesar de ello, la figura 23 evidencia que la

diferencia entre las dos resinas no es significativa.

Figura 23. Efectos Principales en el Esfuerzo de Tracción de las Resinas

Tabla 18. Análisis de la varianza

ANÁLISIS DE VARIANZA

Fuente GL SC Ajust. MC Ajust. Valor F Valor p

Modelo 5 2268.31 453.663 41.51 0.000

Lineal 5 2268.31 453.663 41.51 0.000

Resina 1 4.22 4.225 0.39 0.540

Tiempo 4 2267.67 566.917 51.88 0.000

Error 24 262.28 10.928

Total 29 2530.60

61

3.2.2. Ensayo de Abrasión

En lo que se refiere a la resistencia a la abrasión, estadísticamente hablando la resina

Tough es la que posee una menor resistencia. De los ensayos realizados se puede

argumentar que la resina Clear sufrió una pérdida de 1 gr en el peor de los casos. Como

lo muestra la figura 24, la resina Clear a los 15 y 30 min posee un desgaste del tipo estable.

La resina Tough posee un mayor desgaste entre el tiempo de curado recomendado (60

min) y el máximo (120 min). En términos generales es preferible que las dos resinas

tengan un post curado.

Lo que dice la teoría es que a medida que las probetas reciben un mayor post curado su

resistencia aumenta, sin embargo, pasado los tiempos máximos de curado de las resinas

(30 min para la resina Clear y 120 min para la resina Tough) las propiedades se mantienen.

Todos los resultados que se presentan a continuación obedecen al procedimiento

planteado en este trabajo.

Figura 24. Efectos Principales en la resistencia a la abrasión de las probetas

62




Modelo 5 14.2761 2.85522 93.69 0.000

Lineal 5 14.2761 2.85522 93.69 0.000

Resina 1 6.5582 6.55825 215.19 0.000

Tiempo 4 11.2139 2.80347 91.99 0.000

Error 24 0.7314 0.03048

Total 29 15.0075

RESUMEN DEL MODELO

S R-CUAD R-cuad (ajustado) R-cuad (pred)

0.174574 95.13% 94.11% 92.38%

3.2.3. Ensayo de Dureza

En lo referente a la dureza, la resina que mejor comportamiento ha presentado es la resina

Clear. Esta resina ha demostrado que los valores de dureza son mayores a los de la resina

Tough. Físicamente y una de las maneras más evidenciables es la flexibilidad que poseen

las probetas. La resina Tough se caracteriza por tener una flexibilidad ligeramente mayor

a la Clear. Al darle un mayor tiempo de post curado a la resina Tough no se logrará obtener

un aumento en la dureza. La resina Tough posee un comportamiento casi estable en la

dureza, es decir, el aumento del tiempo de post curado no genera un pico considerable

entre los dos tiempos de exposición a rayos UV. Esto último se lo evidencia en la figura

25, entre el tiempo de 60 y 120 minutos.

Todos los resultados que se presentan a continuación obedecen al procedimiento

planteado en este trabajo.

63

Figura 25. Efectos Principales en la Dureza de las resinas




Modelo 5 5879.5 1175.91 42.74 0.000

Lineal 5 5879.5 1175.91 42.74 0.000

Resina 1 3496.9 3496.9 127.1 0.000

Tiempo 4 3219.3 804.83 29.25 0.000

Error 24 660.3 27.51

Total 29 6539.8

RESUMEN DEL MODELO

S R-CUAD R-cuad (ajustado) R-cuad (pred)

5.24524 89.90% 87.80% 84.22%

64

3.3.Verificación de la Hipótesis

La hipótesis planteada, presentaba que la resina Tough posee mejores propiedades

(Resistencia a la tracción, Dureza y Resistencia a la Abrasión) que la resina Clear.

Estadísticamente hablando, con un nivel de significancia de 95% se argumenta que la

hipótesis se Rechaza. Es decir, la resina Estándar (Clear) presenta buenas propiedades

tanto en la resistencia a la abrasión como a la dureza.

65

CAPITULO IV

4.1.Conclusiones

• La estereolitografía es una de las técnicas de impresión 3D con una elevada

precisión. El ejemplo claro está en la elaboración de las probetas para ensayos de

abrasión. Las dimensiones se encontraban en un rango de error de

aproximadamente ±0.2 mm. Gracias a ellos la impresión SLA, es utilizada para

trabajos de precisión como engranes.

• En lo referente a los aspectos técnicos utilizados por las máquinas (Form 2, Form

Cure), podemos destacar. Las máquinas Form utilizan una longitud de onda de 405

nm cuya adaptabilidad a las resinas es del 100%. El Post curado utiliza una

radiación UV de 1.25 mW/cm2. Estos valores son los recomendados por el

fabricante.

• La dureza obtenida y una vez analizada estadísticamente arrojó que la resina Clear

posee una mayor dureza. Sin embargo, esta no aumentará considerablemente si el

tiempo de curado aumenta.

• En lo referente a los resultados del ensayo de abrasión se puede argumentar que la

resina estándar posee una buena estabilidad y resistencia. Cuando las probetas no

poseen un post curado su resistencia baja notablemente.

• El tiempo de curado recomendado para la resina Clear es de 15 minutos, en los 15

minutos posteriores se evidencia como las propiedades mecánicas llegan a su

máximo, es decir, hay un incremento gradual. Sin embargo, si la pieza sigue bajo

la incidencia de rayos UV pasados los 30 min las propiedades tienden a bajar

(Módulo de Tensión).

66

• Para la Resina Tough el tiempo de curado adecuado es de 60 minutos al igual que

la resina Clear, el máximo valor de las propiedades mecánicas que se pueden llegar

a obtener es con un curado de 120 min. A partir de ello se hace evidente la

tendencia a disminuir su módulo de tensión.

4.2. Recomendaciones

• Utilizar alcohol isopropílico para la limpieza de las probetas este líquido ayudará

a limpiar el exceso de resina en la pieza una vez el proceso de impresión haya

culminado.

• El modelo CAD de la pieza a imprimir no debe tener cualquier tipo de elemento

de sostén de la pieza. Esto se debe a que el software CAM lo genera

automáticamente y de acuerdo a la morfología de la pieza.

• Evitar la exposición a rayos UV una vez las piezas hayan sido curadas. Una

exposición extra a rayos ultravioleta provocara cierto pandeo en la pieza. Esto por

lo general se lo podría evidenciar en elementos cuya longitud sea

considerablemente larga (Probetas de tracción)

• La limpieza de la pieza (eliminación de la rebaba) deberá realizarse de la manera

más cautelosa posible esto evitará que se dañe cualquier superficie de la pieza.

Gracias al software CAM, la rebaba es de fácil remoción.

• Para el ensayo de abrasión:

o Limpiar las muelas considerando la cantidad de ciclos y el material

utilizados con anterioridad.

o La aspiradora debe estar encendida en todo momento mientras se realice el

ensayo. Esto evitará la acumulación de material desechado en las muelas

principalmente.

67

o Fijar la pieza a ensayar y en todo momento vigilar el desenvolvimiento de

la probeta y por lo tanto de los elementos constitutivos de la máquina.

68

MATERIALES DE REFERENCIA

Referencias Bibliográficas

[1] Ideos 3D Print Solutions, Estereolitografía (SLA). Soluciones 3D con gran

acabado superficial, Print Solutions, 2013.

[2] Erasmus Programme UE, Introducción a la Impresión 3D, UE, 2016.

[3] R. J. C. &. A. B. Ríos, “La estereolitografía en la Facultad de Odontología de la

UNAM,” Revista Odontológica Mexicana, vol. 9, nº 5, pp. 48 - 50, 2005.

[4] D. M. &. R. Gieleta, “Experimental study of strength properties of SLA resins

under low and high strain rates,” Mechanics Of Materials, vol. 141, pp. 20 - 60,

2019.

[5] M. C. A. F.-A. S. G. E. C. S. Martínez-Pellitero, “Analysis of influence factors on

part quality in micro-SLA technology,” Procedia Manufacturing, vol. 13, pp. 856 -

863, 2017.

[6] B. Z. H. X. C. H. Xiaoyan Liu, “The preparation of ZrO2-Al2O3 composite

ceramic by SLA-3D printing and sintering processing,” Ceramics International,

vol. 46, nº 1, pp. 937-944, 2020.

[7] M. Groover, Fundamentos de Manufactura Moderna, Tercera ed., Santa Fe: The

McGraw-Hill, 2007.

[8] A. I. &. Á. H. Fernando Bordignon, Diseño e Impresión de Objetos 3D, Una guía

de apoyo a escuelas, Buenos Aires: Unipe Editorial Universitaria, 2018.

[9] M. B. &. B. Luyt, La impresión 3D. Guía definitiva para makers, diseñadores,

estudiantes, profesionales, artistas y manitas en general, Barcelona: Editorial

Gustavo Gili, SL, 2014.

[10] Y. A. D. D. F. P. Kim K, “Stereolithographic Bone Scaffold Design Parameters:

Osteogenic Differentiation and Signal Expression,” Tissue Engineering Part B

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[11] Solectroshop, “Impresoras 3D,” 2016. [En línea]. Available:

https://solectroshop.com/product-spa-1658-Impresora-3D-Anet-A6-DIY-

KIT.html.

69

[12] Print 3D World, [En línea]. Available:

http://www.print3dworld.es/2014/02/bigrep-one-la-impresora-3d-fdm-mas-grande-

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71

Anexos Varios.

Figura 26. Probetas para ensayo de abrasión de Resina Tough

Figura 27. Probetas para ensayo de abrasión de Resina Clear

72

Figura 28. Ensayo de abrasión aplicado a probetas de resina Tough

Figura 29. Ensayo de abrasión aplicado a probetas de resina Clear

73

Figura 30. Huella marcada producto del ensayo de abrasión

Figura 31. Pesaje de las probetas antes del ensayo de abrasión

74

Figura 32. Pesaje de las probetas antes del ensayo de abrasión

Figura 33. Pesaje de las probetas después del ensayo de abrasión

75

Figura 34. Pesaje de las probetas después del ensayo de abrasión

Figura 35. Ensayo de Dureza aplicado a las probetas

76

Figura 36. Tiempos recomendados para el post curado de las resinas [31]

Figura 37. Gráfica T vs Módulo para la resina Clear (Objetivo: determinación de los

tiempos de curado recomendados) [31]

77

Figura 38. Gráfica T vs Módulo para la resina Tough (Objetivo: determinación de los

tiempos de curado recomendados) [31]

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PARA IMPRESIÓN 3D POR ESTEREOLITOGRAFÍA (SLA)”